岩石与岩体性质的相关性研究

　　摘要：为了解岩石性质与岩体性质的相关性，通过对阳泉矿区的岩石和岩体进行测试，研究了岩石强度与岩体强度、岩石波速与岩体波速的相关性。结果表明，岩石单轴抗压强度与岩体强度具有相似的变化趋势，并且具有显著的线性变化关系，经过拟合后的公式可以较准确地进行岩石抗压强度与岩体强度的换算。岩石的波速均大于岩体的波速，通过比例系数K表示岩体波速与岩石波速的变化关系，发现不同岩石的比例系数并不相同，并且有较大差异，岩体的波速越接近岩石的波速，说明岩体越完整。

　　关键词：岩石;岩体;单轴抗压强度;波速;岩体完整性

　　0 引言

　　岩体是众多地下工程的主要构成材料，岩石又是岩体的重要组成部分，研究岩体和岩石的力学性质对工程的分析研究具有重要意义。

　　目前，岩石性质的研究已经较为丰富[-7]，一般将加工好的标准试件送至实验室研究。虽然现场岩体性质的研究较为困难，但还是有学者进行了一系列研究。何满潮等[8]研究了深部岩体的非线性力学特性。司林坡和康红普[-10基于钻孔触探法开发了一套原位测试设备，并通过该设备在多个矿区进行测试，研究了岩体强度变化规律。徐光亮等[1]通过围岩强度测试设备研究了围岩强度变化规律。靖洪文等[12]研究了超声波探测法、钻孔触探法、钻孔剪切法3种测试方法的优劣，并且通过钻孔剪切法在矿区进行了测试，研究了原位强度的空间、时间效应。姚强岭等[13]开发了一种地质力学原位测试系统，并且通过实测获得了煤矿的地质力学参数。于可伟[1]进行了煤矿井下巷道的围岩地质力学测试，研究了地质力学参数的变化规律。钱七虎等[15]研究了岩石与岩体变形与破坏的时间特性，讨论了若干破坏准则。夏开宗等[1])研究了岩体波速估算地质强度指标的方法，引入了Hoek-Brown准则，给出了岩体波速预测力学参数的方法。黄承贤等[7)介绍了岩石单轴和三轴波速与力学参数的变化规律，研究了围压对岩石波速的影响。徐松林等[1]研究了卸荷过程岩体的波速变化，采用双裂纹模型研究了内部结构对波速的影响。邵国建等[]在评价现有岩体稳定性分析方法的基础上，根据实际工程问题建立了岩体稳定分析的干扰能量法。

　　岩体的力学参数测试分为现场岩体原位测试和实验室岩石力学测试。现场原位测试通过专用设备测试岩体的力学物理性质，具有接近真实反映岩体性质的优势，但现场测试又受诸多条件影响，测试结果通常不稳定，有的设备结构复杂，难以在地下空间展开。实验室测试是通过在岩体上钻孔取芯，加工成标准试件在实验室内进行物理力学性质测试。实验室测试结果通常较为稳定，但岩石试件脱离岩体，难以体现出真实地质环境的影响，而且当岩体较为破碎或者一些岩石强度较低时，难以取出完整的岩芯。因此，有必要研究岩石性质与岩体性质的变化关系，建立岩石与岩体的联系，本文进行岩石和岩体的强度和波速测试，研究岩石、岩体强度与波速的相关性，为相关研究提供参考。

　　1测试方法

　　1.1 强度测试

　　岩石取自山西阳煤集团寺家庄矿某岩巷，在现场进行钻孔取芯，将取芯的岩石加工成标准试件，在实验室内进行抗压强度测试。在相同取芯位置进行原位测试，得到岩体的原位测试强度。

　　岩石单轴压缩试验采用TAW-3000型电液伺服试验机，该试验机具有大刚度框架、全数字伺服控制器等先进设备，具有良好的可靠性与准确性。原位测试采用钻孔触探法原位测试仪，测试设备包括：液压泵、测试探头、数显峰值压力表、高压管、安装杆。诸多研究表明，通过该方法得到的岩体强度较为准确，且适合岩巷内的测试研究。该设备的原理是在测试岩体内钻孔，将探头通过支撑杆伸入孔内，操作液压泵加压后探头内的探针便会伸出并压住岩壁，通过液压泵不断加压，探针持续作用于孔壁，当达到孔壁的破坏强度后孔壁便会破裂，此时强度即为岩体强度。

　　在取芯孔内进行原位测试，每个孔进行4m

　　4.5 m，5 m 3个深度测试，每个深度测试一次后将探头旋转120后进行一次测试，然后再旋转一次。每个深度测试3次求出算数平均值为该深度的测试强度，最后求出3个深度的强度值，取算数平均值为该孔的原位测试强度。

　　1.2 波速测试

　　波速研究的岩石取自山西阳煤集团新景矿，对矿区地面钻孔取芯制成的岩石标准试件进行岩石波速测试，采用全波列测井方法在钻孔内进行岩体波速测试，确定现场岩体的波速，对比实验室测试得到的岩石波速，分析岩石声波波速与岩体声波波速之间的相关性。

　　岩石波速测试的设备由示波器、脉冲收发器、探头3部分组成。在试件上下表面均匀涂上耦合剂，将声波发送、接受探头分别放在试件上下两侧，通过示波器读出波在探头间传递的时间，通过试件的尺寸便可求出波速。

　　2强度分析

　　实验室岩石力学试验和巷道原位测试试验结果如表1所示。

　　图1为岩体原位强度与岩石单轴抗压强度的变化趋势，由图1可以看出，各测点的原位强度均小于岩石的单轴抗压强度，并且在数值上存在较大差距，但具有相同的变化趋势。

　　将原位测试强度与岩石单轴抗压强度绘制成散点图(如图2所示)，发现原位强度与岩石的单轴抗E强度呈现接近线性的变化关系，即相关性系数R"=0.886 08，拟合度较高，岩体原位测试强度与岩石的抗压强度具有较强的线性变化关系，通过式(2)可以进行岩体强度与岩石单轴抗压强度之间的换算。

　　3波速分析

　　定义速度比K为岩体波速与岩石波速的比值，用比例系数K表示岩石与岩体波速的变化关系。按不同种类的岩石划分，通过实验室测试和全波列测井得出的纵波波速如表2所示。

　　由表2可知，岩石的波速均大于岩体的波速，这是由于岩石试件通常完整坚硬且无明显结构面，而岩体充斥着结构面与裂隙，影响着机械波的传播，因此波速也会降低。岩体的波速越接近岩石的波速，说明岩体越完整。显然，不同岩性岩体的完整性也不同。

　　岩体纵波波速与岩石纵波波速之比的平方K2可以表现岩体的完整性[21，如表3所示。泥岩的完整性最好，K2=0.90，质差些，K2=0.86，石灰岩K2-0.77，泥岩、砂质泥岩、石灰岩的岩体完整程度均为完整。中砂岩K2-0.74，岩体完整程度为较完整，粉砂岩K2=0.49，细砂岩K2=0.48，岩体完整程度均为较破碎。不同岩性的岩体K值的差距是由于岩体的完整程度不同。

　　4结论

　　通过对岩石和岩体进行强度和波速测试，分析岩石强度与岩体强度、岩石波速与岩体波速的关系，得出以下结论：

　　(1)在不同的测点，岩石单轴抗压强度均大于岩体强度，但在不同的测点具有相似的变化趋势，通过线性拟合发现拟合度较高，拟合公式为：o，=0.179 770+20.122 03该式具有较高的相关系数，即岩体原位强度与岩石单轴抗压强度有较强的相关性，通过该式可以进行岩石强度与岩体强度之间的换算。

　　(2)岩石波速均大于岩体波速，通过比例系数K表示岩体波速与岩石波速的变化关系，不同岩石的比例系数并不相同，这是由于这是由于岩石试件通常完整坚硬且无明显结构面，而岩体充斥着结构面与裂隙，影响着机械波的传播，因此波速也会降低。

　　(3)不同岩性岩体的完整性也不同，岩体的波速越接近岩石的波速，说明岩体越完整。

　　参考文献(References)：

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　　[20]GB/T 50218-2014.工程岩体分级标准[S].

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